Юрий Артамонов - Ли Смолин. Возрожденное время: От кризиса в физике к будущему вселенной
к оглавлению
корреляции как-то устанавливаются в момент открытия посылок в Токио и Барселоне.
Допустим, у нас есть большой ящик, заполненный парами ботинок, и мы запутали каждую пару со свойством противоположность. Мы отправляем все левые ботинки в Барселону, а все правые ботинки в Токио. Пусть экспериментаторы в каждом городе хаотически выберут, какое свойство каждого индивидуального ботинка они измеряют, и сохранят запись результата. Они посылают свои выборы и результаты обратно на фабрику в Монреале, где они сравниваются. Оказывается, что единственный способ придать смысл объединенным результатам это предположить, что имеют место нелокальные эффекты, в соответствии с которыми свойства одного ботинка из каждой пары подвергаются воздействию со стороны выборов, сделанных в отношении того, что измерять у второго ботинка. В этом содержание теоремы, доказанной в 1964 ирландским физиком Джоном Стюартом Беллом и продемонстрированной связанным набором искусных экспериментов.
Эти особенности и проблемы стали фокусом большого внимания на девятом десятилетии с момента формулировки квантовой механики. Было предложено много подходов к их большему пониманию. Сейчас я уверен, что все они не попадают в цель и что странные особенности квантовой теории возникают потому, что она есть усечение космологической теории - усечение, применимое к малым подсистемам вселенной. Приняв реальность времени, мы открываем путь к пониманию квантовой теории, который высвечивает ее тайны и вполне может разрешить их.
*
Более того, я верю, что реальность времени делает возможной новую формулировку квантовой механики [3]. Эта формулировка новая и умозрительная. Она еще не привела ни к каким точным экспериментальным предсказаниям, не говоря уже об экспериментальных проверках, так что я не могу утверждать, что она корректна. Что она делает, так это дает радикально отличающийся взгляд на природу физических законов, выражая новым и неожиданным образом идею, что законы эволюционируют во времени. И, вероятно, она будет проверяема, как мы коротко увидим.
Но можем ли мы на самом деле отказаться от идеи вневременных законов природы без
к оглавлению
потери мощи физики в объяснении потрясающе многого о мире вокруг нас? Мы и думали, что законы детерминистические. Среди других последствий детерминизма есть и то, что во вселенной не может быть ничего неподдельно нового - что все, что происходит, есть перегруппировка элементарных частиц с неизменными свойствами за счет неизменных законов.
Определенно имеется бесчисленное множество ситуаций, в которых будущее может достоверно ожидаться как отражение прошлого. Когда мы делаем эксперимент, который мы проводили ранее много раз и в котором мы всегда имели один и тот же результат, мы можем достоверно ожидать этот результат и в будущем. (Даже если результатами иногда являются одни вещи, а иногда другие, пропорции каждого исхода будут удерживаться в будущих измерениях). Мы можем ожидать, что в следующий раз, когда мы бросим мяч, он полетит по параболе, как происходило всякий раз, когда мы это делали в прошлом. Обычно мы говорим, что так происходит потому, что движение определено вневременным законом природы, который, будучи вневременным, будет действовать в будущем точно так же, как он действовал в прошлом. Так что вневременной закон препятствует настоящим новшествам.
Но является ли предположение о действии вневременного закона, на самом деле необходимым для объяснения того, что настоящее отражает прошлое? Понятие закона нам необходимо только в случаях, в которых процесс или эксперимент повторялся много раз. Но, чтобы объяснить эти случаи, нам на самом деле нужно намного меньше, чем вечный закон. Мы могли бы обойтись чем-то более слабым - скажем, принципом, устанавливающим, что повторяющиеся измерения дают одни и те же результаты. Не потому, что они следуют закону, а потому, что единственным законом является принцип прецедента. Такой принцип будет объяснять все случаи, в которых работает детерминизм законов, но не будет и забывать новые измерения, чтобы дать новые результаты, не предсказываемые из знания прошлого. Это могло бы быть, по меньшей мере, малой степенью свободы в развитии новых состояний без противоречий с применением законов к случаям, которые раз за разом воспроизводились в прошлом. Общий закон в Англо-Саксонской традиции действует на основании принципа прецедента, при котором судьи ограничены нормами, принятыми судьями в прошлом, когда они обращались к аналогичным случаям. Я хочу навести на мысль, что нечто подобное вполне может действовать и в природе.
к оглавлению
Однажды я сформулировал эту идею, и был изумлен, узнав, что тут мне предшествовал Чарльз Сандерс Пирс, который говорил о законах природы как о привычках, развивающихся во времени: Все вещи имеют тенденцию принимать привычки. Для атомов и их частей, молекул и групп молекул и, короче говоря, любого мыслимого реального объекта имеется большая вероятность действовать подобно первому случаю, чем иным образом. Эта тенденция сама устанавливает регулярность и непрерывно растет. Глядя назад в прошлое, мы смотрим в направлении периодов, когда она была все менее и менее определенной тенденцией[4]. Этот принцип становится ключевым в подлинно новых случаях. Если природа на самом деле работает в соответствии с принципом прецедента, а не по вневременным законам, тогда, если нет прецедентов, не будет и предсказаний, как система будет себя вести. Если мы производим на самом деле новую систему, ее отклик на измерения не может быть предсказан ни из какой информации, которую мы уже имеем. Как только мы произвели много копий этой системы, принцип прецедента принимает руководство. С этого момента поведение системы предсказуемо.
Если природа подобна этому, то будущее по-настоящему открыто. Мы все еще получаем преимущества от испытанных законов в случаях с богатым прецедентом, но без мертвой хватки детерминизма.
Будет честным сказать, что классическая механика предотвращает существование подлинно нового, поскольку все, что происходит, это движение частиц в соответствии с фиксированными законами. Но квантовая физика отличается в двух аспектах, которые дают нам возможность заменить вневременные законы на принцип прецедента.
Первое, как мы видели, запутывание может производить подлинно новые свойства. Вы можете проверить пару частиц на обладание свойством запутывания вроде свойства противоположности, которое не является свойством отдельных частиц. Второе, появляется элемент подлинной хаотичности в реакции квантовой системы на свое окружение. Даже если вы знаете все о прошлом квантовой системы, вы не можете достоверно предсказать, что произойдет, если измеряется одно из ее свойств.
Эти две особенности квантовых систем позволяют нам заменить постулирование вневременных законов на гипотезу, что в природе действует принцип прецедента, чтобы гарантировать, что будущее имеет сходство с прошлым. Этот
к оглавлению
принцип достаточен, чтобы поддержать детерминизм, где это необходимо, но предполагает, что когда природа сталкивается с новыми свойствами, она может устанавливать новые законы для применения к этим свойствам.
Вот простая иллюстрация действия принципа прецедента в квантовой физике: Рассмотрим квантовый процесс, в котором система приготавливается, а затем измеряется, и допустим, что процесс происходил в прошлом много раз. Это дает вам собрание прошлых итогов эксперимента: Много раз, например X, система говорила 'да' в ответ на вопрос, и много раз, например Y, она говорила 'нет'. Тогда итог любого будущего примера этого процесса будет хаотически выбираться из собрания исходов прошлых попыток. Теперь предположим, что прецедента нет, поскольку эта система была приготовлена с определенной величиной подлинно нового свойства. Тогда итог измерения будет свободным в том смысле, что он ничем не определен в прошлом.
Означает ли эта идея, что природа на самом деле свободна в выборе исхода эксперимента? Имеется определенный смысл, в котором квантовые системы, как уже известно, имеют элемент свободы - смысл проиллюстрирован недавней теоремой, изобретенной двумя математиками из Принстона, Джоном Конвеем и Саймоном Коченом. Мне не очень нравится название, которое они дали своему результату, но оно броское и должным образом привлекает: теорема о свободе воли [5]. Теорема применяется к случаю двух атомов (или других квантовых систем), которые становятся запутанными, а затем разделяются, после чего измеряются свойства каждого. Теорема гласит: Допустим, имеется смысл, в котором два экспериментатора свободны в выборе того, какое измерение они делают над их атомами. Тогда отклик атомов на измерение свободен в том же смысле.
